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a Ciclo Unico
Scuola di Scienze
BIOTECNOLOGIE INDUSTRIALI
Insegnamento
BIOTECNOLOGIA SINTETICA MOLECOLARE E COMPUTAZIONALE
SCP9088063, A.A. 2019/20

Informazioni valide per gli studenti immatricolati nell'A.A. 2019/20

Principali informazioni sull'insegnamento
Corso di studio Corso di laurea magistrale in
BIOTECNOLOGIE INDUSTRIALI
SC1731, ordinamento 2014/15, A.A. 2019/20
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Crediti formativi 8.0
Tipo di valutazione Voto
Denominazione inglese MOLECULAR AND COMPUTATIONAL SYNTHETIC BIOTECHNOLOGY
Sito della struttura didattica http://biotecnologie.scienze.unipd.it/2019/laurea_magistrale
Dipartimento di riferimento Dipartimento di Biologia
Obbligo di frequenza
Lingua di erogazione ITALIANO
Sede PADOVA
Corso singolo È possibile iscriversi all'insegnamento come corso singolo
Corso a libera scelta È possibile utilizzare l'insegnamento come corso a libera scelta

Docenti
Responsabile FRANCESCO FILIPPINI BIO/11
Altri docenti ELISABETTA BERGANTINO BIO/11

Dettaglio crediti formativi
Tipologia Ambito Disciplinare Settore Scientifico-Disciplinare Crediti
ALTRO Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro -- 2.0
CARATTERIZZANTE Discipline biologiche BIO/11 3.0
CARATTERIZZANTE Discipline per le competenze professionali SECS-S/02 3.0

Organizzazione dell'insegnamento
Periodo di erogazione Annuale
Anno di corso I Anno
Modalità di erogazione frontale

Tipo ore Crediti Ore di
didattica
assistita
Ore Studio
Individuale
LABORATORIO 2.0 32 18.0
LEZIONE 6.0 48 102.0

Calendario
Inizio attività didattiche 30/09/2019
Fine attività didattiche 20/06/2020
Visualizza il calendario delle lezioni Lezioni 2019/20 Ord.2014

Commissioni d'esame
Nessuna commissione d'esame definita

Syllabus
Prerequisiti: Parte computazionale:
(1) database e data mining; (2) allineamenti di sequenze e ricerche per omologia mediante BLAST ed altri programmi; (3) espressioni regolari (patterns) e profili di sequenza basati su matrici; (4) predizioni di struttura secondaria, PDB.

Parte molecolare:
Biologia molecolare (Biologia Molecolare degli organismi procarioti ed eucarioti); principi di Ingegneria Genetica.

L'apertura multidisciplinare in ingresso di Biotecnologie Industriali fa sì che una parte non irrilevante degli studenti provenga da altre sedi o da percorsi triennali locali differenti da Biotecnologie. Per questo motivo, questo corso mantiene sul sito web ad esso dedicato anche i materiali integrativi (dispense dal percorso triennale di Biotecnologie) utili e sufficienti a colmare le eventuali lacune sugli argomenti propedeutici.
Conoscenze e abilita' da acquisire: Parte computazionale:
- analisi di network regolativi e interattomi, approcci integrativi a problemi complessi, bioinformatica cellulare e analisi di metabolomi e ingegneria metabolica, modellistica molecolare e ingegneria proteica (rational e computational design), biocatalisi e biomimetismo, analisi di microbiomi, tossicologia computazionale, bioremediation, immunoinformatica e vaccinologia inversa.
- sapere integrare gli approcci di cui sopra per l'inferenza funzionale, lo "smart design" di esperimenti o in progetti di ingegnerizzazione biotecnologica.

Parte molecolare:
- principi e tecniche della manipolazione genica, con particolare riferimento alla produzione di molecole utili e di proteine ricombinanti in sistemi di espressione procariotici ed eucariotici. Si prenderanno in esame sistemi cellulari sia consolidati che innovativi, utilizzati in scala di laboratorio ed estendibili all’applicazione industriale;
- tecniche di base, sviluppi innovativi ed esempi di applicazioni recenti nella sintesi di proteine cell-free, nell’ingegneria proteica e nell’ingegneria metabolica (in microorganismi).
Modalita' di esame: Parte computazionale:
Nella computer classroom gli studenti alternano fasi di training interattivo a fasi di problem solving ed elaborano - lavorando a volte individualmente e a volte in gruppo ed interagendo col docente - una serie di report scritti (guidati da domande a risposta aperta). Gli studenti ricevono peer feedback per migliorare i report e la presentazione. La parte laboratoriale determina la prima metà del voto (15/30) + eventuale bonus. Le conoscenze teoriche sono valutate in un esame orale (15/30), che si aggancia anche a quanto svolto nelle esercitazioni ed eventualmente ad articoli pertinenti scelti dagli studenti e/o a putativi progetti proposti dallo studente o dal docente.

Parte molecolare:
Accertamenti scritti a domande aperte.
Criteri di valutazione: Coerentemente con la natura non solo teorica, ma anche applicativa del corso, la valutazione tiene conto sia delle conoscenze che delle capacità problem solving dimostrate.
Per la parte teorica, sono valutate:
- conoscenza di strumenti computazionali e molecolari presentati nel corso;
- conoscenza dei metodi analitici, del loro potenziale e dei limiti di tali risorse e metodi;
- conoscenza delle strategie più adeguate per combinare e integrare nelle analisi l'uso di tali risorse e tools.
Per le competenze applicative, sono valutate:
- capacità problem solving, ovvero di utilizzare e integrare adeguatamente, comprendendone potenziale e limiti, le risorse computazionali e molecolari presentate nel corso, per lo svolgimento di attività sperimentali;
- pertinenza e completezza nelle risposte alle domande;
- capacità di focalizzare sui punti fondamentali per inferire le informazioni rilevanti;
- capacità di presentare evidenze, metodi ed analisi in modo rigoroso, completo e chiaro;
- capacità di recepire il feedback fornito dai docenti;
- capacità di team work.
Contenuti: La Biotecnologia Sintetica Molecolare e Computazionale combina gli approcci più avanzati di Bioinformatica e di Tecnologie Ricombinanti per i progetti di Biologia Sintetica. Il corso tiene conto sia dell'attuale evoluzione del rapporto - nella ricerca biotecnologica, biomedica e biologica - tra sperimentazione in silico e wet lab, sia delle aree scientifico-curricolari del corso di laurea.

Parte computazionale:
(1) Approcci integrativi e bioinformatica per le biotecnologie "computer-aided".
Genomica comparata e bioinformatica; annotazione dei genomi. Metagenomica e microbiomi come indicatori per salute e variabilità e contaminazione ambientale. Bioinformatica strutturale: analisi e predizioni funzionali per integrazione del confronto tra sequenze, motivi, fold, struttura, superfici. Superposition di strutture, metodi predittivi di strutture 3D (homology modeling, threading, ab initio), dinamica molecolare, docking, analisi dei surface patch (elettrostatica, idrofobicità). Bioinformatica cellulare: predizioni di topologia e localizzazione subcellulare (predittori generativi HMM e discriminativi SVM), interattomi. Immuno-informatica e Reverse Vaccinology: predizione di epitopi, approcci e software per RV, pan-vaccini.
(2) Biologia e biotecnologia sintetica
Ingegneria proteica, industria e ambiente: dall'analisi fine dei motivi alla modulazione funzionale: rational design e computational design per biocatalisi, bioremediation e phytoremediation. Biologia sintetica e sviluppo di biomimetici: individuazione e ingegnerizzazione dei motif di interazione: design di agonisti e antagonisti. Biomimetici per medicina rigenerativa, drug delivery. Combinazione con peptidi autoassemblanti o lipidi. Ingegneria proteica e difesa immunitaria: design di anticorpi oligoclonali (predizione di specificità e immunogenicità, scelta e ottimizzazione delle regioni peptidiche da sintetizzare); umanizzazione dei monoclonali, design di DARPins e altre proteine pseudoanticorpali. Geni e promotori sintetici: progettazione di geni sintetici per la caratterizzazione e/o per l'ingegnerizzazione; ottimizzazione dell'espressione e della purificazione. Design di promotori.
Esercitazioni in aula computer verteranno su analisi con approcci di bioinformatica strutturale e biologia sintetica nell'ambito di un progetto di ingegnerizzazione di un enzima.

Parte molecolare:
- Espressione di proteine in E.coli: analisi, pianificazione e modificazione dei fattori che influiscono sull’espressione dei geni clonati.
- Sistemi di espressione in lievito: Saccharomyces cerevisiae vs Pichia pastoris, similitudini e peculiarità. Il problema della glicosilazione proteica.
- Espressione in cellule d’insetto: elementi di biologia molecolare del baculovirus, ingegnerizzazione del suo genoma, bacmidi. Cellule d’insetto ‘umanizzate’.
- Cell-free protein synthesis.
- Ingegneria proteica: rational-, semirational-design e directed evolution. Esempi in biocatalisi, bioremediation, proteine utili per la ricerca e in biomedicina (inteine ed elastin-like proteins).
- Genome editing: meganucleasi, ZF-nucleasi, TALEN e tecnologia CRISPR/Cas. Ricombinasi Cre e FLP.
- Ingegneria metabolica in microorganismi procariotici.
- Ingegneria metabolica in eucarioti: esempi in lievito e cellule animali (CHO).
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento: Gli studenti acquisiscono le conoscenze e competenze specifiche sia attraverso la frequenza, le attività e l'interazione con i docenti (lezioni ed esercitazioni), sia attraverso lo studio del materiale didattico messo a disposizione dai docenti (dispense e contenuti su web). Nel primo incontro con gli studenti, le modalità di svolgimento del corso e le risorse online disponibili sono illustrate in dettaglio.
L'insegnamento prevede lezioni con esempi, interazione costante durante il corso con domande e risposte, simulazioni applicative "problem solving", esercitazioni in computer classroom con fasi alternate di training e test. A disposizione degli studenti ci sono guide online sulle pagine web costruite per il corso e domande stimolo per realizzare con i tools bioinformatici disponibili in rete analisi di inferenza funzionale ed ingegnerizzazione biotecnologica, simulando progetti reali. E' fornito peer feedback sui report per la parte laboratoriale. Sono previste attività di lavoro in gruppo, il confronto dei risultati, e una serie di "case studies" è suggerita dal docente e dagli studenti.
Le attività prevedono anche simulazioni pre esame con domande, risposte ed esempi di valutazione delle risposte.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio: I docenti forniscono agli studenti il materiale didattico, che viene aggiornato annualmente (dispense del corso, articoli guida). Il materiale didattico è disponibile sul sito dei docenti e/o sulla piattaforma E-learning.
Gli studenti possono inoltre - attraverso apposite pagine web - accedere alla guida on line alle esercitazioni, scaricare i materiali didattici, visualizzare il calendario di lezioni ed esercitazioni, avvisi ecc., nonchè collegarsi ad utili risorse remote (siti web di server con database e tools pubblici per analisi computazionali e molecolari).
Testi di riferimento:
  • Glick, Pasternak, Patten., Molecular Biotecnology – principles and applications of recombinant DNA - 4th edition.. --: ASM press, --. Cerca nel catalogo

Didattica innovativa: Strategie di insegnamento e apprendimento previste
  • Lecturing
  • Laboratory
  • Problem based learning
  • Case study
  • Working in group
  • Questioning
  • Problem solving
  • Work-integrated learning
  • Peer feedback
  • Files e pagine caricati online (pagine web, Moodle, ...)
  • Approccio integrativo mediante risorse online

Didattica innovativa: Software o applicazioni utilizzati
  • Moodle (files, quiz, workshop, ...)
  • Kahoot / Poll Everywhere

Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Salute e Benessere Istruzione di qualita' Industria, innovazione e infrastrutture Consumo e produzione responsabili